DE2526072C3

DE2526072C3 - Crucible for pulling crystals from the melt

Info

Publication number: DE2526072C3
Application number: DE19752526072
Authority: DE
Inventors: Walter Dr.-Phys. Schmidt; Walter Dr.-Chem. Staehlin
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1975-06-11
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1980-07-03
Also published as: DE2526072B2; DE2526072A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum Kristallziehen aus der Schmelze, der durch eine innen angeordnete konzentrische Wandung in einen die Schmelze aufnehmenden und einen, die konzentrische Wandung umgebenden, eine gegenüber der Schmelze niedriger schmelzende Substanz aufnehmenden Raum (Ringraum) unterteilt ist.The invention relates to a crucible for pulling crystals from the melt, which is provided by an internally arranged concentric wall in one receiving the melt and one, the concentric wall surrounding, a lower melting substance compared to the melt receiving space (annulus) is divided.

Bei einer durch die DE-OS 19 13 682 offenbarten Vorrichtung ruht ein Tiegel in Form einer Tulpenblüte in einer Füllsubstanz, um einen vollkommen dichten Raum, in dessen Innerem ein Keim für den Kristall bewegt werden soll, allseitig auf hoher Temperatur zu halten. Dabei dampft die leicht flüchtige Komponente der Verbindung aus der Schmelze heraus und schlägt sich an kalten Stellen des Schmelzgefäßes nieder, wenn man keine besonderen Vorkehrungen trifft. Diese Vorkehrungen bestehen dort nun aus einem flüssigen Medium, in welches während des Kristallziehprozesses «ine das Volumen über der Schmelzoberfläche abschließende, um ihre Achse drehbare und in der Höhe verschiebbare Glocke eintaucht, in deren Achse der Kristallkeim befestigt ist Durch das Absenken der Glocke wird der Kristallkeim in die Schmelze der halbleitenden Verbindung eingetaucht und durch Anheben der Glocke der aus der halbleitenden Verbindung bestehende Einkristallstab aus der Schmel· ze gezögen,In a device disclosed by DE-OS 19 13 682, a crucible in the form of a tulip blossom rests in a filling substance in order to keep a completely sealed space, inside of which a seed for the crystal is to be moved, at a high temperature on all sides. The volatile component of the compound evaporates from the melt and is deposited on cold spots on the melting vessel if no special precautions are taken. These precautions now consist of a liquid medium into which, during the crystal pulling process, a bell that closes the volume above the surface of the melt, rotates about its axis and is vertically displaceable, is immersed in the axis of which the crystal nucleus is attached The crystal nucleus is immersed in the melt of the semiconducting compound and, by lifting the bell, the single crystal rod consisting of the semiconducting compound is pulled out of the melt,

Um eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erhalten wird durch die DE-OS 22 45 250 der Einsatz eines Zylinderringes in den Tiegel vorgeschlagen, an dessen Ring-Außenseite die Schmelze in den Tiegel fällt und durch öffnungen am unteren Ringrand in das Tiegelzentrum fließt Einen entsprechenden Schmelzenuß gibt die US-PS 28 92 739 wieder, in deren Tiegel ein napfartiger Einsatz auf hohen Füßen steht; die Schmelze dringt durch eine Bodenöffnung des Napfes aus dem äußeren Tiegelraum in das Napfinnere.In order to obtain a temperature distribution that is as homogeneous as possible, DE-OS 22 45 250 specifies the use Proposed a cylinder ring in the crucible, on the outside of the ring, the melt falls into the crucible and a corresponding molten nut flows through openings at the lower edge of the ring into the center of the crucible is the US-PS 28 92 739 again, in the crucible a bowl-like insert is on high feet; the melt penetrates through a bottom opening of the bowl from the outer crucible space into the bowl interior.

Die Praxis hat gezeigt, daß auch beim Einsatz solcher Tiegel die Verunreinigung der Schmelze durch gelöstes Tiegelmaterial nicht unterbunden zu werden vermag, ebensowenig die bei starken axialen Temperaturgradienten auftretenden Probleme. Letztere entstehen besonders dann, wenn die freie Oberfläche der Schmelze von einem komprimierten Gas — wie es beispielsweise bei der Kristallzucht nach der Flüssigumhüllungstechnik verwendet wird — eine starke Abkühlung erfährt In diesem Falle wird die Substanz am Tiegelboden weitaus früher schmelzen als der Oberflächenbereich. Das Material am Tiegelboden muß stark überhitzt werden, um die ganze Charge zu schmelzen — dies steigert die Gefahr der Zersetzung.Practice has shown that even when using such Crucible contamination of the melt by dissolved crucible material cannot be prevented, Neither do the problems associated with strong axial temperature gradients. The latter arise especially when the free surface of the melt from a compressed gas - like it For example, when growing crystals using the liquid coating technique - a strong cooling In this case, the substance at the bottom of the crucible will melt much earlier than the surface area. The material at the bottom of the crucible has to be overheated to melt the whole batch - this increases the risk of decomposition.

In Kenntnis dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, einen bestimmten Fall von Tiegelkorrosion und Überhitzung der Schmelze zu verhindern.Knowing these facts, the inventor set himself the task of finding a specific case of To prevent crucible corrosion and overheating of the melt.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Tiegel der eingangs erwähnten Art, dessen konzentrische Wandung (Zylinderwandung) auf dem Tiegelboden oder auf einer auf dem Tiegelboden angeordneten Querplatte aufsitzt.A crucible of the type mentioned at the outset, the concentric wall of which leads to the solution of this problem (Cylinder wall) on the crucible bottom or on a transverse plate arranged on the crucible bottom sits on.

Durch die doppelwandige Tiegelstruktur, zwischen deren beiden — oder mehr als zwei — Räumen keine Verbindung besteht, wird zum einen im äußeren Ringraum gelöstes Tiegelmaterial nicht an die Wachstumsfront des Kristalles getragen, zum anderen erhält man die Möglichkeit, in dem der Hitze besonders ausgesetzten äußeren Ringraum ein weniger aggressiv wirkendes Material einzusetzen, so .iaß die — am äußeren Tiegelmantel — nicht vermeidbare lokale Überhitzung unschädlich bleibt.Due to the double-walled crucible structure, between the two - or more than two - spaces there are none If there is a connection, on the one hand the crucible material dissolved in the outer annular space does not reach the growth front worn of the crystal, on the other hand one gets the possibility in which the heat particularly exposed outer annulus to use a less aggressive material, so .iaß die - am outer crucible jacket - unavoidable local overheating remains harmless.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der von Tiegelwandung und Tiegeleinsalz gebildete Tiegelraum — den nach unten hin den Tiegelboden begrenzt — nach oben hin zumindest teilweise geschlossen. In der dazu verwendeten Abdeckung sind erfindungsgemäß Ausnehmungen zum Einfüllen des Füllmaterials sowie zur Entnahme entstehender Dampfe vorgesehen. Jene Abdeckung fängt die aufsteigenden Materialpartikel großteils ab und läßt sie nach Kondensation wiederum in den Tiegelringraum fallen.According to a further feature of the invention is the crucible space formed by the crucible wall and crucible salt - which limits the crucible bottom towards the bottom - at least partially closed towards the top. In the According to the invention, the cover used for this is recesses for filling in the filler material as well intended for the extraction of emerging vapors. That cover catches the rising particles of material largely from and lets them fall again into the crucible ring space after condensation.

Als bezüglich der Herstellung besonders vorteilhaft hat sich ein Tiegel aus zwei koaxialen Rohren und diese untergreifender gesonderter Bodenplatte erwiesen; hierbei können kostenträchtige Formgebungsverfahren weitgehend entfallen.A crucible made of two coaxial tubes and these has proven to be particularly advantageous in terms of production under-reaching separate base plate proven; this can result in costly shaping processes largely omitted.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung besteht die den Ringraum wenigstens teilweise füllende Substanz aus einem Silikat oder einer Mischung verschiedener Silikate mit Schmelzpunkten von etwa 150Q⁰C bis 1600⁰C₁ bevorzugt aus Wollastonit öder Anorthit.According to further features of the invention is that the annular space at least partially filling substance from a silicate or a mixture of different silicates with melting points of about 150Q C to 1600 ⁰ ⁰ C _{1 is} preferably made of wollastonite barren anorthite.

Die erfindüngsgemäßc Tiegelstnikiur begünstigt den Temperaturausgleich in axialer Richtung an der seitlichen Begrenzung des Wachstumsraumes, da die im Tiegelringraum befindliche Schmelzsubstanz durch Konvektion Temperaturgradienten abbaut Geringe Temperaiurgradienten aber bedeuten geringfügigeThe crucible structure according to the invention favors the Temperature equalization in the axial direction at the lateral boundary of the growth area, since the im The melt substance in the crucible annulus is reduced by convection But temperature gradients mean minor ones

Überhitzung der Tiegelwandung, weshalb der korrosive Angriff der eigentlichen Schmelze auf das Tiegelmaterial verlangsamt wird.Overheating of the crucible wall, which is why the actual melt attacked the crucible material by corrosive action is slowed down.

In axialer Richtung erlauben kleinere Temperaturgradienten ein schonendes Schmelzen der Charge ohne lokales Oberhitzen und damit ohne Zersetzung.In the axial direction, smaller temperature gradients allow gentle melting of the batch without local overheating and thus without decomposition.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung wiedergegeben sind; diese zeigt inThe invention is described below with reference to preferred exemplary embodiments shown in the drawing are reproduced; this shows in

Fi g. 1 den geschnittenen Aufriß durch zwei teilweise wiedergegebene Ausführungsformen des Tiegels;Fi g. 1 partially the sectioned elevation through two reproduced embodiments of the crucible;

Fig.2 ein vergrößertes Detail zu einer weiteren Ausführungsform.2 shows an enlarged detail of a further one Embodiment.

In einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ziehgerät zur Züchtung von Kristallen — beispielsweise von Einkristallen nach dem sog. Czochralski-Verfahren — ist auf einer Tragvorrichtung ein Tiegel T angeordnetIn a pulling device, not shown in the drawing, for growing crystals - for example single crystals according to the so-called Czochralski method - a crucible T is arranged on a support device

Dieser Tiegel Trimmt eine Schmelze Sauf, in welche an einem vertikalen Ziehstab ein Impfkristall ragt, der unter Bildung eines Kristalles aus der Schmelze 5 gehoben wird.This crucible trims a melt S into which a seed crystal protrudes on a vertical pull rod, which is lifted from the melt 5 to form a crystal.

In den Tiegel Tist gemäß Fig. I eine konzentrische Zylinderwand 30 eingesetzt und mit dem Tiegelboden 31 verschweißt. Hierdurch entsteht ein äußerer Ringraum 32, der mit Jem Tiegelinnenraum / nicht verbunden ist Dieser Ringraum 32 wird nach oben hin von einer — Füllöffnungen 34 aufweisenden — Kondensationswand 35 überspanntAccording to FIG. 1, a concentric cylinder wall 30 is inserted into the crucible T and welded to the crucible bottom 31. This creates an outer annular space 32 which is not connected to the interior of the crucible. This annular space 32 is spanned at the top by a condensation wall 35 having filling openings 34

Der Ringraum 32 des Tiegels T wird mit einer Substanz R gefüllt, deren Schmelzpunkt niedriger liegt als der Schmelzpunkt der Schmelze S, The annular space 32 of the crucible T is filled with a substance R whose melting point is lower than the melting point of the melt S,

Zum Schmelzen von Gadolinium-Gallium-Granat mit einem Schmelzpunkt von etwa 1750⁰C werden in den Ringraum 32 des Tiegels Tals Substanz R verschiedene Silikate eingebracht, beispielsweise Anorthit, Wollastonit oder Mischungen von Silikaten mit Schmelzpunkten von 1500° C bis 1600⁰C.For melting of gadolinium gallium garnet having a melting point of about 1750 ⁰ C the crucible valley substance R introduced various silicates into the annular space 32, such as anorthite, wollastonite, or mixtures of silicates with melting points of 1500 ° C to 1600 ⁰ C.

Dank der geschilderten Ausführung kann das Schmelzgui 5 aufgeschmolzen werden, ohne daß sich die Wandung 30, 31 lokal überhitzt; der korrosive Angriff der Schmelze 5 auf die sie umgebenden Wandungen bleibt damit viel geringer. Durch geeignete Wahl der Substanz R gelingt es auch, die Korrosion des äußeren Tiegels Tin in Grenzen zu halten.Thanks to the embodiment described, the melt 5 can be melted without the wall 30, 31 locally overheating; the corrosive attack of the melt 5 on the surrounding walls thus remains much less. A suitable choice of the substance R also makes it possible to keep the corrosion of the outer crucible Tin within limits.

Da beide Schmelzräume / 32 getrennt sind, kann das von der Wand des Tiegels Γ abgelöste Material nicht in den entstehenden Kristall eingebaut werden, was einen weiteren wesentlichen Vorteil des beschriebenen doppelwandigen Tiegels Tdarstellt.Since both melting chambers / 32 are separated, the material detached from the wall of the crucible Γ cannot enter the resulting crystal can be incorporated, which is another significant advantage of the described double-walled crucible T.

Bei einer in der linken Hälfte der F i g. ί ^gedeuteten Ausführungsform ist an die Zylinderwandung 30 über dem Tiegelboden 31 eine zusätzliche Querplatte 40 angeschlossen, während die Vorrichtung nach Fig.2 einen Tiegel aus zwei Zylinderwandungen U, 30 mit beide untergreifender gesonderter Bodenplatte 31 erkennen läßt.In the case of one in the left half of FIG. ί ^ interpreted embodiment is connected to the cylinder 30 above the crucible bottom 31, an additional transverse plate 40 while the device according to Figure 2 can be a crucible made of two cylinder walls U, 30 identify with both under cross separate bottom plate 31st

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Crucible for pulling crystals from the melt by means of a concentric wall arranged on the inside into one that receives the melt and one that surrounds the concentric wall, a space (annulus) that receives a substance that has a lower melting point than the melt is, characterized in that the concentric wall (cylinder wall) (30) the crucible bottom (31) or on a transverse plate (40) arranged on the crucible bottom (31) sits on

2. Crucible according to claim 1, characterized in that the annular space (32) at least towards the top is partially closed

3. crucible according to claim 1 or 2, characterized in that in the the annular space (32) closing cover (35) at least one filling and removal opening (34) is provided.

4. crucible cloth one of claims 1 to 3, characterized in that the Zyiinderwandung (30) and the crucible wall (U) are formed as coaxially associated tubes and the crucible bottom (31) as this undercutting, separate base plate.

5. Crucible according to one of claims 1 to 4, characterized in that the substance (R ) at least partially filling the annular space (32) consists of a silicate or a mixture of different silicates with melting points of about 1500 ^° C. to 1600 ^° C.

6. Crucible according to claim 5, characterized in that the substance (R) consists of wollastonite.

7. Crucible according to claim 5. dad '-.- ch characterized in that the substance (R) consists of anortnite.